1. 서 론

보편적으로 입상토의 역학적 성질을 결정하는데 간극비 또는 밀도가 중요한 영향 인자로 인식되고 있다. 그러나 입상토의 간극비 또는 밀도는 입상토의 입자형상 및 입도분도 등과 같은 조건에 따라 다짐에너지가 동일하여도 달라지는 경우가 있으므로 간극비나 밀도만으로 입상토의 역학적 성질이 결정된다고 할 수 없다. 그러나 입상토의 입자형상 및 입도분포가 다른 흙이라 하더라도 동일한 상대밀도 조건으로 실험하는 경우 흙의 종류와 관계없이 역학적 특성이 결정되는 경우가 많다(Choi, 2011).

상대밀도는 자연 상태 또는 실험실 흙의 상태가 그 흙이 가장 느슨한 상태(최소 건조단위중량)와 가장 조밀한 상태(최대 건조단위중량)의 사이에 어느 위치에 있는가 정도를 퍼센트(%)로 나타낸 것으로 상대밀도를 결정하기 위해서는 흙의 최소 및 최대 건조단위중량이 결정되어야 한다(Lambe & Whitman, 1979).

최소 및 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 방법으로 현재까지 다양한 실험방법이 제시되어 있으며, 국내의 경우 최소 및 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 방법으로 ASTM(D 4253, D 4254) 및 JIS(A 1224) 방법이 많이 사용되고 있으나, ASTM 방법에서 제시된 ‘이 시험방법으로 절대 최소(최대) 밀도/단위중량을 반드시 얻어진다고는 할 수 없다’라는 내용과 같이 아직 최소 및 최대 건조단위중량을 결정하려는 방법은 명확하게 정립되어 있지 않다.

Kwon(1986) 및 Kwon & Kim(1989)은 최대 건조단위중량을 결정하는 방법으로 ASTM 방법보다 Bowles 방법 및 자동다짐시험기에 의한 방법이 더 큰 최대 건조단위중량을 결정한다고 제시하였으나 자동다짐시험기를 이용하는 경우 실험 전·후 입도분포가 변화하는 결과가 확인됨에 따라 Lee et al.(2007)은 최대 건조단위중량을 결정하는 방법으로 자동다짐시험기가 아닌 Bowles 방법을 고려하였으며, 실험용기를 소형화한 간편법을 제시하였다. 그러나 Bowles 방법은 고무망치를 이용하여 실험자가 실험용기를 직접 타격하여 다짐에너지를 흙에 전달하기 때문에 개인차 및 숙련도에 따라 최대 건조단위중량에 대한 결과치에 대한 차이가 발생하는 문제점이 있어 개인차 및 숙련도에 의한 영향을 감소시키려는 방법이 필요하다.

이에 본 연구에서는 개인차 및 숙련도에 따른 영향이 있는 고무망치를 대신하여 기계화된 방법으로 공기압력을 이용한 에어해머의 사용 가능성을 확인하기 위한 목적으로 실내 실험을 수행하였다.

2. Bowles 방법의 최대 건조단위중량 결정

Bowles(1978)는 점착력이 없는 흙의 최대 건조단위중량을 결정하기 위해 표준몰드와 고무망치를 이용하는 방법을 제시하였으며, 실험방법은 다음과 같다.

① 완전 건조된(Oven dry) 점착력이 없는 시료를 준비한다.

② 준비된 시료를 1,000cm³의 표준몰드에 5층으로 나누어 넣는다.

③ 각 층마다 최소 12kg의 구속하중추를 넣고 시료의 수직변형을 구속한다.

④ 수직변형 구속 후 고무망치를 이용해 몰드의 측벽을 15⁓25회 충격을 가한다.

⑤ 시험이 완료된 후 표준몰드 내 시료의 무게를 측정하여 최대 건조단위중량을 결정한다.

⑥ ①-⑤ 과정을 3회 이상 실시하며, 최대 건조단위중량은 평균이 아닌 가장 큰 최대 건조단위중량을 사용한다.

3. 실험방법 및 내용

3.1 시료 및 기구

Bowles 방법으로 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 실험기구는 Fig. 1과 같이 부피가 1,000cm³인 표준몰드를 실험용기로 사용하였으며, 흙을 실험용기에 고르게 넣기 위한 깔데기, 실험 동안 흙을 구속할 수 있는 구속하중추, 실험용기에 충격을 가할 수 있는 고무망치, 시료를 평평하게 만들기 위한 직선자, 시료의 무게를 측정할 수 있는 저울을 사용하였다.

Fig. 1

Experimental apparatus for the bowles method

고무망치에 따른 개인차 및 숙련도에 의한 영향을 감소시키기 위해 기계화된 방법으로 고무망치를 대신하기 위한 에어해머는 공기압력을 이용해 분당 3,000회의 타격을 가할 수 있는 에어해머를 사용하였며, 공기압력에 의한 타격에너지를 고려하기 위해 공기압력을 최대 1MPa까지 0.02MPa 간격으로 조절할 수 있는 압력조절장치와 공기압력을 에어해머에 공급할 수 있는 에어컴프레션을 실험에 사용하였다(Fig. 2).

Fig. 2

Air hammer

고무망치를 대신하여 에어해머의 사용 가능성을 확인하기 위해 실험에 사용한 시료는 국내 연구에서 많이 사용되고 있는 주문진 표준사와 화강풍화토를 사용하였으며, 시료의 입도분포와 물리적 특성은 Fig. 3 및 Table 1과 같다.

Fig. 3

Particle size distribution curve of test soil

3.2 실험내용

Bowles 방법에서 고무망치를 대신하여 에어해머의 사용 가능성을 확인하기 위한 실험방법은 Bowles 방법의 최대 건조단위중량 결정 방법을 준용하였다. 고무망치를 대신한 에어해머의 사용이 Bowles 방법으로 결정되는 최대 건조단위중량에 미치는 영향과 고무망치를 대신하여 에어해머의 사용 가능성을 분석하기 위해 에어해머의 타격횟수, 공기압력 및 다짐층와 고무망치의 타격횟수, 다짐층을 Table 2와 같은 조건으로 변화시켜 실내실험을 수행하였다.

4. 실험결과 및 분석

4.1 에어해머에 따른 최대 건조단위중량 변화

4.1.1 타격횟수에 의한 영향

에어해머의 타격횟수에 따른 주문진 표준사 및 화강풍화토의 최대 건조단위중량은 Fig. 4와 같이 타격횟수가 증가함에 따라 최대 건조단위중량이 증가하는 경향으로 나타났다.

에어해머의 타격횟수에 따른 최대 건조단위중량은 주문진 표준사의 경우 Fig. 4의 (a)와 같이 타격횟수 250회를 기준으로 최소 1%에서 최대 4% 증가하는 것으로 나타났으며, 화강풍화토의 경우는 Fig. 4(b)와 같이 타격횟수 250회를 기준으로 최소 4%에서 최대 10% 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 타격횟수 1,500회 이상에서는 시료의 종류, 공기압력 및 다짐층과 관계없이 최대 건조단위중량은 미소하게 증가하는 수렴성 경향을 보이는 것으로 나타났다. 타격횟수에 따른 최대 건조단위중량의 증가는 기존 연구와 유사하게 타격횟수가 증가함에 따라 시료에 가해지는 다짐에너지가 증가하였기 때문으로 보이며, 타격횟수 1,500회 이상에서의 수렴성 경향은 시료를 조밀한 상태로 만들기 위한 타격횟수의 영향이 1,500회 이상에서는 미소하게 작용하기 때문인 것으로 보인다. 즉, 1,500회 이상의 타격횟수에서 더 이상 시료가 조밀해지지 않는 것으로 보인다. 그러므로 에어해머를 이용해 시료의 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 타격횟수는 최소 1,500회 이상으로 결정하는 것이 적합한 것으로 판단된다.

Fig. 4

Max. dry unit weight by number of blow

4.1.2 공기압력에 의한 영향

공기압력에 따른 에어해머에 의한 최대 건조단위중량은 주문진 표준사 및 화강풍화토에 대하여 Fig. 5와 같이 공기압력이 증가하면 최대 건조단위중량이 증가하는 경향으로 나타났다.

에어해머에 작용하는 공기압력에 따른 최대 건조단위중량은 주문진 표준사의 경우 Fig. 5(a)와 같이 공기압력이 0.2MPa인 경우를 기준으로 최소 2%에서 최대 4% 증가하는 것으로 나타났으며, 화강풍화토의 경우는 Fig. 5(b)와 같이 공기압력이 0.2MPa인 경우를 기준으로 최소 3%에서 최대 11% 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 주문진 표준사의 경우 공기압력이 0.4MPa 이상에서는 타격횟수 및 다짐층을 고려하면 최대 건조단위중량이 1% 미만으로 미소하게 증가하는 수렴성 경향을 보이는 것으로 나타났으나 화강풍화토의 경우는 수렴성 경향이 나타나지 않았다. 공기압력에 따른 최대 건조단위중량의 증가는 타격횟수와 유사하게 공기압력에 따른 다짐에너지가 증가하였기 때문인 것으로 보이며, 시료에 따른 최대 건조단위중량의 수렴성 경향은 공기압력에 의한 영향보다 시료의 균등계수에 의한 영향 때문인 것으로 보인다. 그러므로 시료의 영향을 고려하여 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 공기압력은 0.4MPa 이상을 적용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.

Fig. 5

Max. dry unit weight by air pressure

4.1.3 다짐층에 의한 영향

에어해머를 적용한 Bowles 방법에서 다짐층에 따른 주문진 표준사 및 화강풍화토의 최대 건조단위중량은 Fig. 6과 같이 다짐층이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.

다짐층에 따른 최대 건조단위중량은 주문진 표준사의 경우 Fig. 6(a)와 같이 다짐층이 3층인 경우를 기준으로 최소 1%에서 최대 3% 증가하는 것으로 나타났으며, 화강풍화토의 경우는 Fig. 6(b)와 같이 다짐층이 3층인 경우를 기준으로 최소 2%에서 최대 7% 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 공기압력 및 타격횟수에 의한 영향으로 다짐층이 5층 이상에서 최대 건조단위중량이 미소하게 증가하는 수렴성 경향을 보이는 것으로 나타났다. 기존 연구와 유사하게 다짐층에 따른 최대 건조단위중량의 증가는 다짐층이 증가할수록 시료에 전달되는 다짐에너지가 증가하였기 때문인 것으로 보이며, 다짐층 5층 이상에서의 수렴성 경향은 다짐층에 비해 타격횟수 및 공기압력에 의한 영향이 크기 때문인 것으로 보인다. 그러므로 타격횟수 및 공기압력의 영향을 고려하여 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 다짐층으로 5층 이상의 다짐층을 적용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

Fig. 6

Max. dry unit weight by layer of mold

4.2 고무망치와 에어해머의 영향 비교

4.2.1 고무망치 및 에어해머의 다짐에너지 비교

고무망치와 에어해머의 다짐에너지를 비교하기 위해 표준몰드 외벽을 타격하는 고무망치와 에어해머의 운동에너지를 고려하였다. 고무망치의 운동에너지는 실험에 사용한 고무망치의 무게(673g)와 일반적인 성인 남성의 팔길이(580mm)에 따른 속도(911mm/sec)를 고려하였으며, 에어해머의 운동에너지는 공기압력(0.2 MPa, 0.4MPa, 0.6MPa)과 해머의 면적(490m²), 해머의 변위량(1.5mm)을 고려하여 Fig. 7과 같이 고무망치와 에어해머의 타격횟수에 따른 타격에너지를 비교하였다. 타격횟수에 따른 고무망치 및 에어해머의 다짐에너지는 Fig. 7과 같이 증가하는 것으로 나타났으며, 에어해머에 작용하는 공기압력이 0.4MPa인 경우가 고무망치와 유사한 타격에너지를 갖는 것으로 나타났다.

Fig. 7

Impact energy of number of blow

Bowles 방법에 사용되는 고무망치를 대신하여 에어해머의 사용 가능성을 확인하기 위해 에어해머의 공기압력은 고무망치와 유사한 타격에너지를 갖는 0.4MPa의 공기압력 조건을 고려하여 고무망치와 에어해머에 따른 최대 건조단위중량을 비교하였다.

4.2.2 주문진 표준사의 경우

에어해머에 의해 결정되는 최대 건조단위중량은 Fig. 8과 같이 고무망치에 의해 결정되는 최대 건조단위중량에 비해 크게 나타났으며, 회귀분석과 점근선 분석을 통해 고무망치에 의한 최대 건조단위중량은 15.78kN/m³에서 수렴하는 것으로 나타났으며, 에어해머에 의한 최대 건조단위중량은 다짐층에 따라 3층인 경우 16.87kN/m³, 5층인 경우 17.06kN/m³, 7층인 경우 17.26kN/m³에서 수렴하는 것으로 나타나 에어해머를 사용한 경우가 고무망치를 사용한 경우에 비해 최대 건조단위중량이 최소 6.88%에서 최대 9.37% 크게 나타났다. 이는 유사한 타격에너지라 하더라도 인력에 의한 타격에너지에 비해 기계에 의한 타격에너지가 크기 때문으로 판단된다.

Fig. 8

Max. dry unit weight by number of blow at Jumunjin standard sand

4.2.3 화강풍화토의 경우

화강풍화토의 경우 에어해머 및 고무망치에 의해 결정되는 최대 건조단위중량은 Fig. 9와 같이 고무망치에 의해 결정되는 최대 건조단위중량에 비해 에어해머에 의해 결정되는 최대 건조단위중량이 크게 나타났으며, 회귀분석과 점근선 분석을 통해 고무망치에 의한 최대 건조단위중량은 15.70kN/m³에서 수렴하는 것으로 나타났으며, 에어해머에 의한 최대 건조단위중량은 다짐층에 따라 3층인 경우 16.27kN/m³, 5층인 경우 16.42kN/m³, 7층인 경우 16.52kN/m³에서 수렴하는 것으로 나타나 에어해머를 사용한 경우가 고무망치를 사용한 경우에 비해 최대 건조단위중량이 최소 3.63%에서 최대 5.22% 크게 나타났다. 이는 주문진 표준사의 경우와 유사하게 인력에 의한 타격에너지에 비해 기계에 의한 타격에너지가 크기 때문으로 판단된다.

Fig. 9

Max. dry unit weight by number of blow at Weathered granite soil

5. 결 론

Bowles 방법에서 사용하는 고무망치를 대신하여 에어해머의 사용 가능성을 확인하기 위해 실내 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 에어해머의 타격횟수, 공기압력 및 다짐층이 증가하면 시료의 종류에 관계없이 최대 건조단위중량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 흙을 조밀한 상태로 만들기 위한 다짐에너지가 에어해머의 타격횟수, 공기압력 및 다짐층에 영향을 받기 때문인 것으로 보인다.

(2) 시료의 종류와 에어해머의 타격횟수, 공기압력 및 다짐층에 따라 최대 건조단위중량이 미소하게 증가하는 수렴성 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 더이상 시료가 조밀해지지 않는 것을 의미하며, 다짐에너지에 영향을 미치는 주요 영향인자는 시료의 종류, 타격횟수, 다짐층에 의한 영향이 큰 것으로 보인다.

(3) 시료의 종류와 최대 건조단위중량의 수렴성 경향을 고려하여 에어해머를 이용한 Bowles 방법으로 최대 건조단위중량을 결정하기 위해서는 에어해머의 타격횟수는 1,500회, 공기압력은 0.4MPa, 다짐층은 5층 이상이 고려되어야 할 것으로 판단된다.

(4) 고무망치를 사용하는 경우에 비해 에어해머를 사용하는 경우 최대 건조단위중량이 크게 나타남에 따라 높은 최대 건조단위중량을 결정하기 위한 실험방법으로 에어해머를 사용한 Bowles 방법이 최대 건조단위중량을 결정하는 실험방법으로 타당하다고 판단된다.